杨德仁院士：“后摩尔时代”，硅基光电子成重要技术方向

通信世界网消息（CWW）5月16—17日，“2024世界电信和信息社会日大会”在浙江宁波召开。本次大会以“数字创新赋能新型工业化”为主题，探讨工业互联网、人工智能、光通信技术等在推进新型工业化、发展新质生产力等方面发挥的重要作用。

在开幕式上，中国科学院院士杨德仁发表了题为《硅基光电子发光材料与器件》的主旨报告。他指出，随着“后摩尔时代”的到来，硅基光电子应运而生，成为信息技术发展的重要方向之一，吸引国内外产业界竞相布局。然而，硅基光电子仍面临着技术瓶颈，需要产业界持续创新、实现突破。

硅基光电子应运而生

作为信息通信行业的基础，近年来集成电路技术突飞猛进、线宽不断降低。然而受物理尺寸的限制，当线宽向3nm、1nm持续下探时，电互连信号延迟、带宽受限、功耗密度上升等问题开始出现，产业步入了“后摩尔时代”。

在“后摩尔时代”如何发展集成电路？通常认为方向有二：一是more and more Moore，二是more than Moore。前者不断降低线宽；后者走多元化、集成化道路，将集成电路与光电子集成，即硅基光电子（硅基集成）。因为在带宽、功耗、电磁干扰、体积重量、接口密度等方面优势明显，所以硅基光电子在通信、数据中心、自动驾驶、传感、高性能计算、人工智能等领域具有广阔的应用前景。

目前，美国、日本、德国等已经投入巨资进行硅基光电子技术研究，其中美国成立了光子集成创新研究院，英特尔也投入了巨资。从全球来看，硅基光电子产业已经初步形成，产业链企业包括国内的华为、腾讯、百度、阿里巴巴等公司。从产业进展来看，硅基光电子已经大规模应用于数据中心内模块、ZR模块以及长距离相干模块，英特尔的100G硅光模块出货量达到500万只，业界预计到2026年硅光光模块在光模块市场将占据半壁以上江山。

技术瓶颈待突破

硅基光电子产业蓬勃发展、爆发在即。然而杨德仁院士也适时提醒，作为一项新技术，硅基光电子仍面临着技术方面的瓶颈。

“硅基光电子包括光源、波导、调制、探测、封装、集成等一系列程序，其中硅基光源是一大难点，到现在问题才解决了一半。”杨德仁院士解释，硅基光电子一方面需要在硅基材料上发出激光，另一方面需要在工艺上与集成电路兼容，然而硅是间接带隙半导体，发光效率非常低，而这已经成为了一个世界性难题。

为破解难题，产业界上下求索、多方努力，尝试了硅晶体中位错、多孔硅光、硅纳米（量子）点、硅基稀土、Raman激光器、混合激光器、连续波硅基InAs/GaAs量子点激光器等多种技术，不过依然没有破解难题，仍处于多途径探索阶段。

其中值得一提的是，英特尔与UCSB合作，用混合激光器做出硅上激光器，成为目前硅光片间光互连的主要方案，已经步入商业应用阶段。不过该方案存在尺寸大、无源波导损耗大、对准难等问题，只能应用在片间光互连，不能在片上实现光互连。

展望未来，杨德仁院士表示，硅基光电子是信息技术的重要方向之一，硅基片间互连光源可以通过键合技术实现产业化，但是硅芯片上光互连依然是瓶颈，目前硅基量子点、硅基Ge/GeSn、硅基稀土发光等是重要途径，但还没有取得最终的成功，依然有待突破。“革命尚未成功，同志仍需努力。”杨德仁呼吁。他认为，经过业界同仁的共同努力，硅基光电子的光源问题最终能够真正得以解决的。